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熱力學
Chapter 1
簡介
本章大綱
‧定義熱力學
‧熱力學發展的前瞻性
‧簡介 SI 單位系統
‧簡介 SI 系統中基本因次
‧簡介力、能量及功率等導出單位
‧定義壓力並解釋錶壓力及絕對壓力的差異
‧定義攝氏及絕對溫標
‧簡介千莫耳為氣體的莫耳質量
1.1 熱力學
• 何謂熱力學？
熱力學是一門與熱能轉變成機械功有關的工程科學
• 熱能(簡稱熱 (heat))，主要經由燃料的燃燒或核子
反應爐，而釋放出熱能來。
• 功(work)則可能以旋轉軸所形成的動力，或飛機
引擎所產生的推進力型式出現。
熱能
熱機
功
1.2 熱力學的發展
• 熱力學是一門先經由觀察和實驗，以得到若干結
果後，再創造理論以便去配合這些已知的結果的
科學。
• 阿基米德 (Archimedes，西元前287年—前212年 )
在洗澡時發現，當一物體置放於液體內時，所移
出液體的體積剛好等於物體的體積。
1.2 熱力學的發展
• 在 1824 年，卡諾 (Carnot，1796-1832 )從熱的觀
念提出只要是引擎必有熱的損耗。
– 明確地陳述所謂的熱力學第二定律的觀念。
1.2 熱力學的發展
• 1840年，焦耳 (Joule) ：熱並不是流體，而是一種
能量型式，因此熱也能轉換成其它型式的能量。
– 這項結果導致熱力學第一定律 ( 能量守恆 ) 能夠被發現。
1.2 熱力學的發展
• 1848年，克耳文 (Kelvin) 利用卡諾有關熱機熱效
率的結論提出絕對溫標的觀念。
– 克耳文也是第一個定義熱力學這門科學的人
1.2 熱力學的發展
• 1859年，威廉冉肯 (Rankine) 出版”蒸汽機和其他
主要動力機手冊” 。
– 第一本工程熱力學相關教科書
1.2 熱力學的發展
熱力學發展的重要
階段
1.3 單位系統
• 在 SI 系統中，相對於 4 種因次有 4 種基本單位。
– 由這些基本單位可以推導其它的單位。
1.3.1 導出單位
導出單位
所有熱力性質或變數均可由基本單位推導出
例如：速度定義為一段時間內所移動的距離
速度 
長度
時間
單位：
m
s
1.3.1 導出單位
例如：容積定義為一定量物體所占滿的空間
容積  (長度 )
3
單位： m
3
例如：比容定義為單位質量所占的容積
比容 
( 長度 )
質量
3
單位：
m
3
kg
1.3.1 導出單位
例如：力的單位可由牛頓第二運動定律推導
力  (質量 )  ( 加速度 )
單位： ( kg )  (
m
s
定義
N 
2
kg  m
s
2
)
kg  m
s
 牛頓
2
1.3.1 導出單位
例如：重量定義為作用在物體上的地心引力
重量  (質量 )  (重力加速度 )  mg
g  9 . 81 m / s
2
能量的單位與功相同，而功乃定義為
功  (力 )  ( 距離 )
單位： ( N )  ( m )  N  m
定義
J  N  m  焦耳
1.3.1 導出單位
功率是作功的速率，即在一段時間內所作的功
功率 
功
時間
單位： ( J ) /( s ) 
J
s
定義 W 
J
s
 瓦特
1.3.1 導出單位
例題 1.1
求出在 10 秒內將質量 75 kg 的人舉升 50 公尺所需
的功率，假設 g = 9.81 m/s2。
[解] 人重量 = 75×9.81=735.75 N
作用在人上的功 = 重量×距離
= 735.75×50=36787.5 J
功率 = 作功量 / 時間
= 36787.5/10=3678.75 W
1.3.2 單位字首
1.3.2 單位字首
36 , 787 . 5 J  36 . 8 kJ
1ℓ= 10 3 m3
= 1 公升 = 1000 cm3 = 1000 cc
1.4 壓力
壓力 (pressure) 是由一流體施加在一單位面積上
的力，因此壓力是一種流體的性質，相當於固體
中的應力。
壓力的單位定義為
壓力 
單位：
力
面積
N
m
2

力
長度
2
定義： Pa 
N
m
2
1.4 壓力
但是 1 Pa 是非常小的壓力，因此很難用來描述流體
的壓力。所以往往使用 kPa 及 MPa 單位。
1 kPa  10 Pa  1000 Pa
3
小寫
1 MPa  10 Pa  1000 kPa
6
大寫
小寫
大寫
另外 1 巴  1 Bar  10 Pa  100 kPa
5
標準1 大氣壓  1 atm  101.325 kPa
接近 1 Bar
1.4 壓力
絕對壓力與錶壓力
如果使用零壓力的基準來定義壓力，代表這種
壓力是絕對壓力。
然而，多數壓力計所讀出的並非絕對壓力，而是
絕對壓力與大氣壓力的差值，此差值稱作錶壓力。
1.4 壓力
符號： Pabs= 絕對壓力，Patm= 大氣壓力
Pgauge= 錶壓力(相對壓力)
Pabs= Pgauge+Patm
1.4 壓力
錶壓 為負的情況
= 負錶壓
1.4 壓力
真空
水銀
P 
gz
v
v =壓力計內液體之比容
z =壓力計內液體之高度差
解釋 P 
1.4 壓力
gz
v
P 
密度

管內液重
截面積
 ( Az ) g
A
  gz 
gz
(  
v
  密度 
1
)
v
質量
體積
， v  比容 
體積
質量
1.4 壓力
例題 1.2
使用液體壓力計測量槽中氣體壓力，所使用的液體
比容為 0.0011m3/ kg，柱面高 300 mm，若局部大氣
壓力為 101 kPa，試求氣體的絕對壓力，取 g = 9.81
m /s2。
[解] 液面高 = 300 mm = 0.3 m
錶壓力 
gz
v

9 . 81 ( 0 . 3 )
 2675 . 4 P a ( 2 . 68 kP a )
0 . 0011
絕對壓力  2 . 68  101  103 . 68 kP a
1.5 溫度
溫度
• 溫度通常被定義成：一物體或流體的冷熱程度
• 流體的溫度與壓力、比容一樣是屬於流體的性質。
• 熱會由溫度高處往溫度低處傳遞，當A物體的溫
度提升到與B物體相同時，二者就達到熱平衡 。
• 熱力學第零定律：
“ 假如兩物體分別與第三個物體達到熱平衡，則此
二物體彼此也會達到熱平衡 ”
1.5 溫度
以標準大氣壓力下水的凝固點及沸點定義為0℃
及 100℃，液態氮的沸點為 -183℃。
℃(攝氏)與F(華氏)換算：

C  ( F  32 )(
5
)
9
F  32 
9

( C)
5
絕對溫度 K： K  C  273
分子單位
1.6 分子單位
• 1811年，亞佛加德羅：在特定的壓力及溫度下，
若氣體體積固定，不管氣體種類為何，應具有相
同數目的分子數 (Avogadro's law) 。
– Equal volumes of ideal or perfect gases, at the same
temperature and pressure, contain the same number
of particles, or molecules.
1.6 分子單位
在 SI 系統，通常會以符號 kmo1(千莫耳) 來表示
分子數，而氣體的實際質量可由下式求得
m  n M
m 代表氣體的質量，單位是 kg
n 代表 kmol 的數目
M 代表氣體的分子量
每 mol 12g
(每 kmol 12kg)
1.6 分子單位
一 kmol 的空氣可考慮為包含 79%體積的氮及 21%
體積的氧，試求其包含的空氣質量。
[解] 1 kmol 空氣 = 0.79 kmol 氮+ 0.21 kmol 氧
m  0 . 79 ( 28 )  0 . 21 ( 32 )
 28 . 84 kg
1.6 分子單位
求 2 kmol 甲烷氣體的質量。甲烷的化學組成為CH4。
[解] CH4的分子量 = 12 + 2(2) = 16
m  nM  2 ( 16 )  32 kg
本章結束
習題
3, 4, 5, 6